基于團隊績效的作戰艙室工效評價模型

楊致怡，劉雙，廖鎮，樊垚

1中國船舶工業系統工程研究院信息系統所，北京100094

2中國船舶工業綜合技術經濟研究院艦船人因工程實驗室，北京100081

基于團隊績效的作戰艙室工效評價模型

楊致怡1，劉雙2，廖鎮2，樊垚1

1中國船舶工業系統工程研究院信息系統所，北京100094

2中國船舶工業綜合技術經濟研究院艦船人因工程實驗室，北京100081

［目的］為了開展多任務作戰艙室戰位布置設計方案的工效評價研究，［方法］提出一種在設計階段可實施的布置方案工效預測和評價方法，結合人的模糊認知特性以及多通道資源理論，考慮作戰艙室戰位間的溝通頻率、距離、角度、戰位對作戰使用的重要隸屬度等因素，從通道資源占用或付出努力對工作負荷的影響出發，對通過各因素進行歸一化處理后，提出一種基于團隊績效的工效評價理論計算模型。通過開展仿真模擬的團隊作業實驗，測量團隊任務完成時間及完成正確率等指標，并與模型計算的布置方案所支持的團隊績效理論值進行對比分析，［結果］試驗結果驗證了理論模型的有效性，并能夠用于多種作戰艙室戰位布置設計方案的預測和工效評價。［結論］結果表明該模型可為作戰艙室戰位布置設計方案的工效評價、優選和優化設計提供一種新的方法與理論基礎。

作戰艙室；戰位布置；工效評價；團隊績效

0 引言

隨著現代戰爭作戰任務越來越復雜，作戰艙室中的功能戰位也日益增多，而艙室有限的空間決定了系統操作人員與戰位非常有限，所以艙室的各戰位如何合理布置成為逐漸凸顯的問題。研究表明，作戰艙室中的戰位布置方案越合理，越有利于提高作戰人員之間的溝通效率以及各戰位完成任務的有效性，并越有利于艙室團隊作戰績效的發揮，從而提升系統作戰效能［1-3］。

鑒于此，對于作戰艙室多戰位布置設計方案的評價和優選在作戰艙室布置的設計過程中至關重要，而現階段戰位布置設計方案的評價和優選還缺少一套科學的方法和流程，特別是在方案設計初期，越早確定艙室戰位優選的布置方案，越有利于后期工程實施，從而可減少工程研制后期出現不必要的顛覆性修改，降低全壽期研制費用，提高作戰效能。

國內現階段在艙室布置方面已經有一些涉及艙室戰位布置的標準規范，如GJB 2873-97，DL/T 575.7-1999，GB/T 22188.3-2010 等［4-6］。 一方面，在艙室布置時要遵循標準規范和使用要求，在有效的空間內進行戰位布置的準備工作，并考慮諸如面對面的交流和觀察綜合共享顯示器等功能鏈接，將功能布置轉換為可能的艙室布置設計，當確定艙室布置備選方案后，由操作人員根據操作規范及要求進行測試，通過反復測試確定艙室設備布置的最佳方案。另一方面，通過建立數學模型來求解最佳布置方案，目前已有研究團隊提出了部分改進的遺傳優化算法，但是約束條件比較單一，并沒有考慮與任務相關的各戰位的重要隸屬度、使用頻率等因素，因此不適用于作戰艙室戰位布置的評價［7-9］。

本文針對目前多任務作戰艙室戰位布置方案的評價和優選，擬提出一種在布置方案設計階段可實施的基于團隊作戰績效的工效評價方法，以避免布置工作開展之后的方案調整或返工，為優選和評價作戰艙室的戰位布置提供理論依據，從而為作戰指揮系統作戰性能的提升和方案的研制提供一定的基礎支撐。

1 艙室布置工效評價方法建模

艙室布置方案工效評價方法建模主要流程如圖1所示。

圖1 布置方案工效評價方法建模過程示意圖Fig.1 Main process of modeling ergonomic evaluation

具體過程如下：首先，假定現有指揮室的戰位布置方案數量為M，且M≥2，各方案分別為F1，F2，…，Fm，…，FM，對其進行工效評價和優劣排序。針對任一組方案Fm，假定作戰艙室中的戰位數為n個，選定艙室原點坐標（0，0），各戰位的位置坐標(x，y)按照該點到原點的距離（單位：m）確定，則每個戰位的位置及坐標分別為：1(x1，y1)，2(x2，y2)，…，i(xi，yi)，…，n(xn，yn)；共享大屏幕的兩側位置分別為s1(xs1，ys1)，s2(xs2，ys2)，共享大屏幕的中心點位置為s0(xs0，ys0)。

戰位i與戰位j間的溝通努力程度由努力距離L及努力角度θ組成。溝通努力距離表示2個戰位溝通時因距離付出的努力，溝通努力角度表示2個戰位溝通時因角度付出的努力。溝通努力程度越大，引起戰位間溝通的工作負荷可能性就越高，因而不利于快速、正確地完成團隊作戰任務。假設如下：

1）設Lij表示戰位i向戰位j的溝通努力距離，Lji表示戰位j向戰位i的溝通努力距離，則2個戰位間的努力距離為

2）設?i表示戰位i的自身方位向量，?j表示戰位j的自身方位向量，戰位（i和j）的自身方位向量表示該戰位人員正面朝向的單位向量；ij為戰位i與戰位j的溝通向量，即戰位i與戰位j溝通時正面朝向的單位向量；ji為戰位j與戰位i的溝通向量，即戰位j與戰位i溝通時正面朝向的單位向量。由此，戰位i向戰位j溝通需要轉動的努力角度cosθi和戰位j向戰位i溝通需要轉動的努力角度cosθj可分別表示如下：

故同一個溝通行為發生時，2個戰位同時需要付出的努力角度θij，即戰位i與戰位j的溝通努力角度為

3）設戰位i對于共享大屏幕s的需求程度為Ris，與其戰位的任務特點和角色分工相關。戰位i對共享大屏幕中心位置s0(xs0，ys0)的觀察努力距離為Lis0，觀察需要轉動的努力角度為θis0；共享顯示大屏幕的反方向為自身的方向向量，為δ=(0，1)；戰位i操作人員正面朝向的方向向量為?i，當戰位面向大屏幕時則?i=(0，1)，當背向大屏時則為?i=(0，-1)，其中戰位i與共享大屏幕中心s0之間的觀察努力距離可表示為

其中，戰位i與共享大屏幕中心位置s0(xs0，ys0)的觀察努力角度，可通過該戰位自身方向向量?i與大屏幕中心之間的向量is0表示為

對于共享大屏幕，并不是所有戰位都需要，有一些對大屏幕需求較低的戰位可以允許其對共享大屏幕的努力程度較大，而對于共享大屏幕有較高需求的戰位，即需要頻繁觀察大屏幕的戰位，應該優先確保該戰位付出的努力程度較低。

4）設戰位i對共享大屏幕的視野范圍角度為Ei，可通過該戰位i與大屏幕兩側s1，s2的向量is1，is2計算：

其中，大屏幕對戰位i作戰績效所做的貢獻與觀察的努力程度相關，即努力程度Lisθis越小越有利于該戰位縮短完成任務的時間、提高正確率、減少工作負荷。另外，單位需求量內可獲得的視野范圍Ei/Ris越高，越有利于該戰位作戰績效的提高，減少工作負荷。

作戰任務中，隨著戰時任務的變化，具體到單次任務下各戰位間的溝通頻率（Cij或Cji，即單位時間內2個戰位i，j之間的溝通次數）、戰位對于作戰使用的重要隸屬度（u1，u2，…，un）及作戰使用頻率（ε1，ε2，…，εn）等因素也會隨之變化，但考慮到艙室戰位布置不便于根據戰時情況進行柔性變化和動態調整，因此，從較長時間段內、多任務綜合的宏觀統計情況考慮，認為上述因素在同一個作戰艙室內處于穩定狀態。

對于不同作戰艙室，各戰位間的溝通頻率有所區別，但對于某一特定型號的作戰艙室，各戰位間的溝通頻率是固定的。計算戰位間的溝通頻率時,有Cij=Cji，而各戰位對于作戰使用的重要隸屬度、作戰使用頻率是有區別的，但對于某一特定型號的作戰艙室，各戰位在該型號作戰艙室使用中則是固定的。對于越重要的戰位，提高戰位的任務完成時間、正確率越有利。對于使用頻率越高的戰位，工作負荷越低越有利。由于每個戰位對其他戰位情報來源的重要價值存在一定的模糊性，采用?ij表示戰位i對戰位j情報價值潛在認知狀態的概率，定義模糊熵hij為戰位i對某一戰位j情報的重要價值的模糊認知心理活動，相關定義如下［10-11］。

模糊熵：

潛在認知狀態概率：

戰位i對戰位j情報價值的平均認知程度：

由于各戰位的平均作戰績效ηi與該戰位自身作戰使用頻率εi、其他各戰位間的溝通頻率Cij、對其他戰位活動的情報價值的平均認知程度Vij以及單位需求量的視野范圍EiRis-1正相關，而與各戰位的溝通努力距離Lij、溝通努力角度θij以及共享大屏幕觀察努力距離和觀察努力角度負相關，因此，綜合考慮上述各個因素對多戰位團隊協作的任務完成時間、完成正確率及工作負荷等方面的影響后，將平均作戰績效ηi表示為

故Fm方案所支持的作戰艙室平均團隊作戰績效可由艙室實際可能達到的團隊作戰績效PActual與艙室最優狀態可能實現的團隊作戰績效POptimal的比值來表示。其中，團隊作戰績效PActual由各戰位的平均作戰績效ηi及其在團隊中的重要隸屬度ui來表示［12-13］：

綜上所述，式（1）～式（9）綜合考慮戰位間溝通努力距離、溝通努力角度、大屏幕視野范圍、溝通頻率及信息傳輸的模糊認知狀態等多個設計因素，構建基于艙室團隊績效的戰位布置工效評價模型，可用于在方案設計階段對不同戰位布置方案所支持的團隊績效水平進行評價，減少實船建造完成后對評價帶來的不易修改的現象。通常實船建成后，可通過團隊任務完成時間、完成正確率和工作負荷等指標來衡量。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗在安靜的專業仿真實驗室進行，實驗室的環境光照、噪聲水平、屏幕亮度等保持恒定。使用計算機控制實驗刺激呈現并記錄被試反應，共享顯示器為投影顯示器（2.4 m×1.8 m，分辨率1 024×768）。個人顯示屏為筆記本電腦（14 in屏幕，分辨率1 366×768）。個人筆記本電腦與大屏顯示器電腦通過局域網連接。自編程序控制每次實驗任務呈現給個人筆記本電腦和共享大屏顯示器的顯示內容。

2.2 實驗設計

實驗采用單因素（戰位布置設計方案A和方案B）完全被試內設計（within subject design），2種戰位布置方案如圖2所示。圖中：原點表示艙室坐標（0，0）；1，2，3，4，5，6表示6個戰位位置；（x，y）表示各戰位在艙室中的位置坐標；δ表示共享顯示大屏幕的方向向量；?表示各戰位的方向向量。

圖2 戰位布置方案A與方案BFig.2 Layout scheme A and B of action station

2.3 實驗材料及任務

為模擬艙室內實際任務情境，實驗中，被試共享1個顯示大屏幕。被試的個人顯示屏及共享大屏的顯示界面如圖3所示。其中，每名被試需要同時完成2項任務：一項任務為各被試獨立任務，即通過試卷形式完成3位數的加法，作為輔任務；另一項主任務為團隊決策任務，即完成對艦艇危險等級的判斷。被試需要盡可能快地根據規則正確完成團隊決策任務（艦艇危險指數總數超過100或不足100的判斷），普通報告的頁面及決策頁面分別如圖3（a）和圖3（b）所示。公共艦艇威脅指數的數值來源于共享大屏幕，如圖3（c）所示。

通過調研與訪談，對戰位間溝通頻率、各戰位的重要隸屬度和使用頻率、共享大屏幕需求程度等數據進行采集與統計分析，并歸一化處理，將不同數據單位進行格式化，使之統一為指定范圍（0～1之間）的無量綱數據。表1所示為戰位間的溝通頻率，表2所示為各戰位的重要隸屬度及使用頻率。

縣級異地防汛會商視頻會議系統的建成，實現了國家、省、市、縣四級防汛抗旱指揮部門的異地視頻會商，充分發揮了協同指揮和調度功能；同時，盧氏、欒川、南召等8個縣的異地防汛會商視頻會議系統延伸到了鄉鎮。異地防汛會商視頻會議系統已成為各級水利部門召開視頻會議、進行防汛會商的主要平臺。2012年7月3日，河南省防辦對山洪災害防治非工程措施項目建設的縣級防汛視頻會商系統進行了應急演練，并對防汛工作進行了安排部署；平頂山等市隨即召開了所轄縣視頻會議，對迎戰7月4日的強降雨進行了緊急部署；省、市、縣三級防汛視頻會商系統為應對此次強降雨提供了有力支撐，效果顯著。

實驗任務控制方法如下：

1）任務。完成獨立任務（3位數加法）+參與團隊任務（根據其戰位屏幕的提示上報艦艇危險指數或者直接進行決策，不同戰位角色任務有所區別）。

圖3 實驗界面示意圖Fig.3 Schematic of experiment interface

表1 作戰艙室各戰位間的溝通頻率Table 1 Communication frequency between action stations in operational room

2）溝通頻率。從上報對象或接受報告來源對象的次數上體現；溝通頻率越高的2個戰位，彼此間互相傳輸信息的次數越多。

3）重要隸屬度。從最終完成決策按鍵任務的戰位來體現，越重要的戰位完成決策的次數越多。

4）使用頻率。從完成本次團隊決策任務看，體現在是否需要某戰位個人屏幕中出現的艦艇危險指數；使用頻率越高的戰位，團隊決策任務中需要其戰位個人屏幕艦艇危險指數的次數越多。

5）對共享大屏幕的需求程度。從完成本次團隊決策任務是否需求共享大屏幕中出現的公共危險指數來體現；對大屏幕需求程度越高的戰位，在團隊決策任務中，其需要大屏幕公共艦艇危險指數的次數越多。

為避免可能的訓練效應與疲勞效應，實驗分為2個階段：一半被試先做方案A的20組團隊決策任務，然后再做方案B；另一半被試先做方案B的20組團隊決策任務，然后再做方案A。以其中一組決策任務為例，分別賦予戰位1～6的艦艇危險指數為 6，7，9，6，0，3，共享大屏幕的公共艦艇危險指數為5。各戰位個人顯示屏及共享大屏幕中的顯示內容除了上述危險指數外，還包括表3所示的任務內容。

根據表3所示的數據信息傳輸內容，將團隊之間的數據傳輸關系通過圖4表示。決策戰位1最終將匯總的艦艇危險指數之和填入其決策頁面中的輸入框，若小于100，則判斷為安全，點擊個人顯示屏上的綠色“安全”按鈕。

表2 作戰艙室戰位功能的重要隸屬度及使用頻率Table 2 Importance and using frequency of action stations in operational room

被試按照指定座位入座后，主試對任務和決策規則進行說明，然后進入訓練階段。實驗中，每次任務出現前會有滴聲提示，然后共享顯示屏和個人顯示屏上均同時呈現相關信息，要求每名被試按照要求完成指定的3位數加法任務和團隊決策任務。

每次團隊決策任務提交后，屏幕提示該次任務完成，在滴聲后呈現下一組任務。依次反復，直到所有20組任務完成。每個階段的實驗（即某種戰位布置方案設計）結束后，個人顯示屏上呈現對本階段完成任務負荷水平進行的評分。評分量表采用NASA-TLX量表。

在每個階段中，20組團隊決策任務的順序隨機。實驗程序用C#語言編制。在操作任務中程序自動記錄每次團隊任務完成時間、團隊任務正確率，以及各被試工作負荷的主觀評分結果。

表3 一組典型團隊決策任務內容Table 3 A typical group of team tasks

圖4 一組典型團隊決策任務數據傳輸關系圖Fig.4 Data transmission relationship in a typical team task

3 實驗結果及分析

對圖2中所示2種布置方案，一方面通過實驗進行工效測評，另一方面基于工效評價理論模型進行計算預測。表4所示為由式（1）～式（9）計算的團隊績效模型理論計算值及實驗統計結果。

1）任務完成時間。

布置任務完成時間從任務頁面呈現開始，到該次任務決策者按下決策按鍵作為結束，計算任務完成時間。布置對任務完成時間做威爾克松檢驗，2種布置方式下的任務完成時間差異顯著（p=0.00＜0.05），因此，方案B方式下的任務完成時間顯著短于方案A方式。

2）任務完成正確率。

在每組完成的2種布置下的各20次任務中，數值計算正確所占比例與判定“危險”與“安全”的決策正確的比例分別作為計算正確率和決策正確率。結果表明，各組計算正確率在60%～70%左右，大多數錯誤原因是任務過程中的計算錯誤。決策正確率都達到了90%以上。對于任務完成時間做威爾克松檢驗，2種布置方案下的計算正確率與決策正確率差異不顯著（p＞0.05）。

3）工作負荷。

NASA-TLX量表的得分可以反映被試在實驗任務中的工作負荷水平，得分越高，表明任務難度越大，工作負荷水平越高。實驗中，方案B方式下的工作負荷得分略低于方案A，對任務完成時間做威爾克松檢驗，結果表明兩種布置類型下的負荷得分差異不顯著（p＞0.05）。

表4 團隊績效模型理論計算值及實驗統計結果Table 4 Theoretical calculations of team performance model and experimental statistic results

4 討 論

實驗結果表明，方案B條件下的任務完成時間顯著少于方案A（p＜0.05），而在任務完成正確率和工作負荷評分上，2種布置之間均沒有差異（p＞0.05），則表明方案B在不降低任務完成質量的前提下（方案A與方案B的任務完成正確率無差異），可以有效降低任務完成時間（方案A與方案B的任務完成時間差異顯著），提升任務完成效率，即團隊績效B＞A，可見實驗結果與理論模型的預測值完全一致。同時也表明，本文所提出的團隊績效理論計算模型是一種較為有效的工效預測方法。

本研究只選用了2個水平的布置方式，今后可適當增加不同的布置方式來進一步驗證理論模型算法在艙室戰位布置工效評價中的有效性。此外，在本實驗中，2種布置方案下的工作負荷差異不是很顯著，這可能是由于該實驗任務相對來說比較簡單，各戰位間的信息溝通也比實際作戰艙室中的信息溝通簡單，工作負荷均較小，因此在工作負荷指標上差異并不明顯。在以后的研究中，可以進一步探討在更為復雜的任務情境下，不同戰位空間布置方式對工作負荷水平的影響。

實驗后，對被試進行了簡單的訪談，80%的被試主觀傾向認為方案B的布置方式較好，主要原因在于方案B的布置方案中每個戰位與其他戰位聯系更緊密，有利于交流和各戰位操作人員對特征的掌握，在360°的旋轉范圍內各戰位的分布更有利于快速找到需要傳遞信息的隊友，不容易混亂。而且，中間重要程度高的兩個戰位處理信息更便捷、高效，有利于整體團隊績效的發揮。分析表明，本文所提出模型具有一定的工程應用價值，可通過以下幾個步驟進行戰位布置方案的評價：

1）建立各個布置方案的坐標體系并確定戰位及共享大屏幕等坐標位置，計算溝通努力距離、溝通努力角度及大屏幕視野范圍等。

2）參考表1、表2設計調查問卷對作戰艙室專家用戶進行調研訪談，對作戰艙室中各戰位使用的重要隸屬度、作戰使用頻率及溝通頻率等數據進行采集和處理；最后，基于本文提出的計算模型式（1）～式（9）對各布置方案所支持的團隊績效水平理論值進行計算和比較，從而實現對各個戰位布置方案的工效評價。

5 結 語

本文針對目前多任務作戰艙室戰位布置方案的評價和優選，提出一種在布置方案設計階段可實施的基于團隊績效的工效評價理論計算模型，并對2種布置方案進行理論計算和工效評價預測，開展了團隊決策任務的模擬實驗，測量并分析了任務完成時間、任務完成正確率、工作負荷等指標。實驗結果表明：本文所提出的團隊績效評價模型理論預測值與實驗結果完全一致，驗證了本文所提出理論模型的有效性，為作戰指揮艙室戰位布置方案的工效評價、優選和研制提供了一種新的方法和理論基礎。

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Ergonomic evaluation model of operational room based on team performance

YANG Zhiyi1，LIU Shuang2，LIAO Zhen2，Fan Yao1
1 Department of Information System，System Engineering Research Institute，Beijing 100094，China
2.Marine Human Factors Engineering Lab，Institute of Marine Technology&Economy，Beijing 100081，China

A theoretical calculation model based on the ergonomic evaluation of team performance was proposed in order to carry out the ergonomic evaluation of the layout design schemes of the action station in a multitasking operational room.This model was constructed in order to calculate and compare the theoretical value of team performance in multiple layout schemes by considering such substantial influential factors as frequency of communication， distance， angle， importance， human cognitive characteristics and so on.An experiment was finally conducted to verify the proposed model under the criteria of completion time and accuracy rating.As illustrated by the experiment results，the proposed approach is conductive to the prediction and ergonomic evaluation of the layout design schemes of the action station during early design stages，and provides a new theoretical method for the ergonomic evaluation，selection and optimization design of layout design schemes.

operational room；action station layout；ergonomic evaluation；team performance

U674.702

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.005

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170512.1308.042.html期刊網址：www.ship-research.com

楊致怡，劉雙，廖鎮，等.基于團隊績效的作戰艙室工效評價模型［J］.中國艦船研究，2017，12（3）：29-35，85.

YANG Z Y，LIU S，LIAO Z，et al.Ergonomic evaluation model of operational room based on team performance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（3）：29-35，85.

2016-09-14< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-5-12 13:08

楊致怡，男，1980年生，高級工程師。研究方向：水面艦艇作戰指揮系統及綜合電子信息系統。E-mail：sunny19861114@sina.com

劉雙（通信作者），女，1986年生，博士，高級工程師。研究方向：艦船人因工程。E-mail：liushuangbh@163.com

廖鎮，男，1983年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船人因工程。E-mail：lzhen24@163.com

樊垚，男，1987年生，碩士，工程師。研究方向：水面艦艇作戰指揮系統及綜合電子信息系統。E-mail：530186452@qq.com